آشنایی بیشتر با تولید سلول خورشیدی

آشنایی با بررسی چگونگی ساخت یک سلول خورشیدی

در دو دهه اخیر سهم انرژی خورشیدی برای تامین انرژی در دنیا به میزان قابل توجهی رشد پیدا کرده تا جایی که پنل ها و صفحات خورشیدی را در همه جا می توان مشاهده نمود . در بزرگراه ها و جاده ها برای تامین برق چراغ های راهنمایی و رانندگی و یا گذاشتن صدها پنل خورشیدی در یک نیروگاه بزرگ برای کمک به تامین الکتریسیته شبکه برق سراسری و یا در ویلاها و مزارع دور از شبکه برق شهر به منظور استفاده از این نعمت بیکران خدادای برای تامین جریان های الکتریکی تجهیزات برقی.

در این پست قصد داریم شما را با اصول ساخت و همچنین چگونگی تولید برق توسط یک سلول خورشیدی آشنا سازیم . می توانید برای مشاهده ویدئو اصلی این مقاله به کانال آپارات شرکت سانان به نشانی https://aparat.com/v/8faEm مراجعه کنید.

قبل از شروع این مبحث ، یادآور می شویم که یک سلول خورشیدی (Solar Cell) با یک پنل خورشیدی و یا ماژول فتوولتاییک (Solar Panel / Solar module) متفاوت است . اتصال سری - موازی چندین سلول خورشیدی ، منجر به تولید یک پنل خورشیدی می شود و از اتصال چندین پنل خورشیذی به یک آرایه خورشیدی (Solar Array) دست پیدا می کنیم . به تصویر زیر نگاه کنید :

اکنون بیاییم نگاهی دقیقتر به چگونگی تولید الکتریسیته از فوتون های ساطع شده توسط خورشید داشته باشیم :

انرژی خورشیدی بسیار فراون است و به طور قطع رایگان ترین انرژی در دسترس در کره زمین می باشد.

به منظور استفاده از این انرژی پاک و تجدید پذیر نیاز خواهیم داشت به کمک از دومین ماده فراوان در دنیا یعنی ماسه!

اولین قدم برای این کار این است که : ماسه باید تبدیل شود به سیلیکون خالص 99.999 درصد برای استفاده در سلول های خورشیدی

برای دستیابی به این سیلیکون خالص ماسه باید وارد یک پروسه تصفیه پیچیده شود همانطور که در ویدئو موجود در کانال آپارات نیز نشان داده شده است . این پروسه به کمک کربن صورت می پذیرد . با این ترکیب سیلیکون خام اولیه بدست می آید.

SiO₂ + C → Si + CO₂

در واقع سیلیکون خام به شکل ترکیب سیلیکونی گازی تبدیل می شود.

سپس با هیدروژن مخلوط می شود تا سیلیکون پلی کریستالی بسیار خالص شده بدست آید.

این سیلیکون ها به شمش تغییر شکل داده و به برش های بسیار نازکی به نام ویفر سیلیکونی(Wafer Silicon) تبدیل می شوند.این ویفر های سیلیکون قلب یک سلول خورشیدی تلقی می گردد.

قبل از ادامه ساخت سلول خورشیدی توسط سیلیس بیایید ساختار اتم های سیلیکون را بررسی نماییم .

 با بررسی دقیق ساختار اتم های سیلیس ، مشاهده می شود که الکترون های آنها با یکدیگر پیوند کووالانس (Covalent Bond) قوی خورده اند.

این پیوند قوی سبب شده است که الکترون های آزاد در سیلیس آزادی حرکت نداشته باشند .

برای به حرکت در آوردن الکترون های آزاد سیلیکون باید در آن ناخالصی ایجاد شود . برای این کار اتم فسفر(Phosphorous) با 5 الکترون ظرفیتی به آن اضافه می شود. (اصطلاح Dope می تواند در اینترنت نتایج بیشتری را برای علاقمندان به همراه داشته باشد.)

4 الکترون از فسفر با 4 الکترون از سیلیس پیوند برقرار میکند و یک الکترون از فسفر بدون پیوند باقی می ماند که می تواند یک الکترون آزاد تلقی گردد. در این صورت چون فسفر یک الکترون از دست می دهد بار مثبت میگیرد و الکترون با بار منفی می تواند جا به جا شود . به این ساختار نیمه هادی ساخته شده n-Type گفته می شود .

اکنون فرض کنید که عنصر بور(Boron) را به ساختار سیلیکون اضافه می کنیم . ساختار بور به گونه ای است که در لایه آخر ظرفیت خود 3 الکترون دارد ، در این حالت برای اینکه پیوند تشکیل شود نیاز است که یک الکترون از اتم های سیلیس اخذ کند . با دریافت یک الکترون از اتم دیگر سیلیس ، یک حفره در اتم سیلیس تشکیل می گردد که این حفره بار مثبت فرض می شود . از طرفی با گرفتن یک الکترون ، اتم بور بار منفی پیدا خواهد کرد .  به این ساختار نیمه هادی p-type گفته می شود.

خب شاید در اینجا سوال پیش آید که یه حفره با بار مثبت چگونه به حرکت در می آید در صورتیکه طبق اصول فیزیک الکترومغناطیس تنها الکترون قادر به حرکت می باشد . جواب این سوال این است با ایجاد حفره ، الکترون سعی می کند این حفره را پر کند و با پر شدن حفره ، حفره به اتم دیگر انتقال پیدا میکند و مجددا الکترون دیگری سعی دارد که این حفره پر شود و با تکمیل این پروسه حفره به مکان دیگری در ساختار سیلیکونی انتقال پیدا می کند و همینطور حفره از اتمی به اتم دیگر منتقل می شود.

اما چگونه از این خاصیت مواد و نیم رساناها به تولید یک سلول خورشیدی دست پیدا کنیم ؟

اکنون بیاییم بین پی تایپ (p-type) و ان تایپ (n-type) یک اتصال برقرار کنیم . در واقع هدف از این کار این است که در یک طرف نیمه هادی از نوع p باشد و در طرف دیگر نوع n قرار داشته باشد . در این حالت اتصال PN و یا دیود(Diod) ایجاد خواهد شد . (p-n Junction) . در اصل ما در اولین قدم در تولید سلول خورشیدی یک PN ایجاد میکنیم .

توجه کنید که هنگامیکه الکترون های آزاد (free electrons) و حفره ها (Holes) از یک طرف محل اتصال به طرف دیگر نفوذ(Diffusion) می کنند ، ناحیه ای ایجاد می گردد که در آن جا فقط یون وجود دارد . این ناحیه از حامل های بار خالی است . به این مکان ، ناحیه تخلیه یا Depletion می گویند .

بون های ثابت موجود در ناحیه تخلیه ، باعث ایجاد یک میدان الکتریکی می شوند . این میدان الکتریکی سبب ایجاد جریان رانشی یا Drift Current هستند . به صورتی دیگر می شود این طور بیان نمود که به دلیل مهاجرت الکترونها در طرف مرز n کمی بار مثبت پیدا می شود . و در طرف p نیز بار مثبت شکل می گیرد .

اتصال p-n در برخورد با نور به چه شکل عمل میکند ؟

زمانیکه نور به اتصال p-n برخورد می کند،اتفاقات جالبی رخ می دهد. نور به ناحیه n در یک سلول خورشیدی تابیده می شود و به ناحیه تخلیه نفوذ پیدا میکند .

این انرژی فوتون برای انرژی تولید (Eg) جفت حفره های الکترونی در ناحیه تخلیه کافی است.

میدان الکتریکی در منطقه تخلیه الکترونها و حفره ها را به خارج از منطقه تخلیه حرکت می دهد.

در این صورت شاهد تراکم الکترونها در ناحیه n و تراکم حفره ها در ناحیه p هستیم . این تراکم بقدری بالاست که باعث ایجاد اختلاف پتانسیل بین آنها می گردد .

به محض اتصال هر باری بین این مناطق الکترون ها از طریق بار شروع به جریان می کنند.

الکترونها پس از طی کامل مسیرشان با حفره های ناحیه p ترکیب خواهند شد. اکنون سلول خورشیدی به تولید یک جریان مستقیم (DC) مشغول است .

لایه n در یک سلول خورشیدی در بالاترین سطح و بطور خیلی نازک ساخته شده است .  همچنین این لایه بطور قویتری ناخالص (Heavily dope) گردیده  چرا که با این کار نور خورشید سریعتر به ناحیه تخلیه نفوذ پیدا می کند و در نتیجه عملکرد بهتری را از یک سلول خورشیدی شاهد هستیم. 

در ساخت یک سلول خورشیدی برای به جریان انداختن الکترون و نیز جریان الکتریکی (Current) از باس بار (BusBar) استفاده می گردد . این باس بار ها که معمولا از جنس نیکل می باشند ، هدایت جریان الکتریسیته را بر عهده دارند . همانطور که در ابتدای این مقاله به آن اشاره شد ، از سری کردن (Series Connection) چندین سلول خورشیدی ، به تولید یک پنل خورشیدی دست پیدا خواهیم کرد . از آنجایی که هر سلول خورشیدی حدود نیم ولت (0.5 VDC) تولید می کند ، پس برای رسیدن به سطوح ولتاژی مناسب برای استفاده این الکتریسیته در کاربری های مختلف ، به تعداد مشخصی از این سلول ها نیاز است . مثلا در یک پنل خورشیدی 72 سلولی که معمولا بین 300 تا 400 وات توان خروجی دارد می توانیم انتظار داشته باشیم که ولتاژ خروجی این رنج از پنل ها حدود 36 ولت باشد . (72*.05 = 36v) 

تصویر زیر یک سلول خورشیدی را از نمای نزدیک نشان می دهد :

همانطور که در تصویر نیز مشاهده می کنید ، یک اتصال P-N پس از نصب اجزای دیگری همچون شیشه ضد تشعشع ، محافظ های بالایی و پایینی EVA ، اتصال دهنده ها (باس بارها) - برای استفاده در یک پنل خورشیدی مهیا می گردد . 

خب توضیحات ما در این خصوص در اینجا به پایان رسید و در مقالات بعدی سعی می کنیم که مقالات تکمیلی بیشتری در اختیار شما عزیزان قرار دهیم.

اگر علاقمند به مبانی آموزش های حوزه فتوولتاییک و انرژی خورشیدی می باشید می توانید در قسمت مقالات سایت به مطالب آموزنده ای دسترسی پیدا کنید . همچنین می توانید ما را در شبکه های اجتماعی اینستاگرام و تلگرام و همچنین کانال آپارات دنبال کنید.

آیدی ما در شبکه اینستاگرام SUNAN_SOLAR می باشد .

شرکت انرژی خورشیدی سانان با تجربه و با سابقه درخشان در حوزه واردات تجهیزات خورشیدی و نصب و راه اندازی نیروگاه های خورشیدی آنگرید و آفگرید فتوولتاییک سهم مناسبی از بازار انرژی خورشیدی را به خود تخصیص داده است . شما می توانید برای مشاوره ، خرید و یا چگونگی از اخذ وام های انرژی خورشیدی با شرکت انرژی خورشیدی و شرکت سولار پیشگامان ارتباط خورشید تماس حاصل فرمایید  . واردات تجهیزات برندهای کارسپا ایپی اور ولترونیک پاور یینگلی سولار الجی سولار ای ای سولار اس ام ای کاکو انرژی باتری های ژل دیپ سایکل الیتر و تلکو پاور مخصوص ذخیره انرژی در سیستم های خورشیدی و همچنین پرژکتور های خورشیدی با کیفیت و سولار سل های با راندمان بالا در انواع مونو کریستال و پلی کریستال و نیز صفحات خورشیدی منعطف و فلکسیبل با ما در تماس باشید . نصب و راه اندازی نیروگاه انرژی خورشیدی در قم . تهران . اراک بندر عباس شیراز اصفهان یزد سمنان گرمسار دلیجان محلات نیمور معادن عباس آباد معادن سنگ تراورتن و مرمریت و معادن سلماس و تبریز و ارومیه و اردبیل و کرمانشاه و سنندج و ایلام و فردو و قباد بزن و کهک و سراسر کشور . فروشگاه تامین تجهیز آریا وابسته به شرکت سانان سولار در سایت دیجی کالا فروشنده کنترل کننده شارژ خورشیدی و مبدل های برق ایپی اور epever carspa SMA kaco yingli LG solar BYD voltronicpower sunverter saanverter